Flutter Echo / Порхающее эхо
Порхающее эхо — это многократные акустические отражения между двумя параллельными поверхностями. Этот процесс напоминает отражения в двух зеркалах, расположенных друг напротив друга. Порхающее эхо слышно в помещении, когда «прыгающий» звук после хлопка ладонями возникает из-за отсутствия звукопоглощающего материала на стенах комнаты (быстрая последовательность отраженных волн от начального импульса).
Порхающее или дрожащее эхо легко предотвратить. Нанесите на одну из стен звукопоглощающий или рассеивающий материал. Этим материалом может быть простой коврик на стене или специальные акустические панели. Ковер (ковролин) на полу полезен, так как предотвращает отражения звука от твердого ровного пола. Шторы и занавеси тоже не сбрасываем со счетов.
Профессиональные студии звукозаписи или комнаты прослушивания уровня хай-энд применяют специальные звукопоглощающие или рассеивающие стеновые панели для прекращения дрожащих звуковых колебаний.
Определение дрожащего эха из Аудио Словаря Гленна Уайта:
Flutter Echo – это акустический эффект в некоторых помещениях, когда звук отражается от двух параллельных поверхностей, например от противоположных стен. Что бы эхо считалось дрожащим или трепещущим (флаттером), количество отражений от поверхностей должно быть менее 15 или около того в секунду. Это происходит, когда стены находятся на расстоянии более 7.6м друг от друга.
Если расстояние между стенами меньше этого значения, то параллельные поверхности не создадут флаттера (биения), а могут привести к формированию стоячих волн, которые создают неравномерное распределение звука в объёме между стенами. В аудиториях следует избегать флаттера, и обычно это достигается за счет того, что большие поверхности стен/потолков/полов располагаются непараллельно.
Понятие эха нельзя путать с определением реверберации. Об этом поговорим ниже.
Эхо и реверберация
Данные понятия часто встречаются в текстах по акустике помещения. Между ними есть определенные отличия, хотя природа возникновения у них одна. Давайте разберёмся в этих терминах окончательно, прочитав два источника по теории акустики.
Эхо — это дискретный отраженный звук, который достигает слушателя через 50 миллисекунд и более после прямого звука. Кроме того, уровень звукового давления эха значительно выше уровня реверберации, которая присутствует и ощущается слушателем одновременно с эхом [1].
Эхо-камеры или безэховые камеры – это помещения, в которых присутствует реверберация, но отсутствует эхо. Эхо, как специальный аудиоэффект, может быть добавлено при мастеринге записи в нужном месте звукорежиссером. Однако, эхо как побочное явление, возникающее при прослушивании фонограммы, является нежелательным [1].
Эхо – заметное на слух повторение прямого звука. Заметность эха зависит от времени запаздывания и интенсивности отраженных сигналов. При времени запаздывания менее 80мс ощущение эха практически отсутствует, даже при достаточно больших уровнях сигнала [2].
Такую разновидность эха, как дрожащее эхо или флаттер, мы разобрали в прошлой статье. (https://t.me/daxxcables/756)
Реверберация. Если источник звука выключить, то происходит постепенный процесс спада энергии: сначала пропадает прямой звук, затем первые, вторые и т.д. отражения. Этот процесс послезвучия называется реверберацией, а время, в течении которого он происходит, - временем реверберации. Характер этого процесса зависит от размеров и формы помещения и от звукопоглощающих (и звукорассеивающих) свойств поверхностей в этом помещении [2].
Время реверберации определяется как промежуток времени в течение которого уровень звукового давления (SPL) послезвучия снизится на 60 децибел (https://t.me/daxxcables/683), то есть когда давление на перепонку снизится до одной тысячной от его первоначального значения, то есть послезвучия станет фактически неслышно.
В реальной комнате звук, который слышит слушатель, представляет собой смесь прямого звука от источника и множества звуков, отраженных от поверхностей стен, пола и предметов в комнате. Реверберирующий звук является рассеянным, исходящим от разных направлений, а прямой звук имеет четкую направленность и позволяет слушателю локализовать источник звука [1].
Теперь становится ясной разница в определениях эха и реверберации.
Грубо говоря, эхо – это более мощный отражённый звук, который доходит до слушателя после относительно большой временной задержки (более 50мс).
Реверберация – это более слабые рассеянные отраженные звуки, достигающие слушателя с гораздо меньшей, чем у эхо временной задержкой.
Эхо является неприятным на слух событием в комнате прослушивания, а вот реверберация придает звучанию эффект пространства и воздушности.
Источники:
[1]. Аудио Словарь Гленна Уайта.
[2]. Музыкальная Акустика. И.Алдошина, Р.Приттс.
Прямой и отраженный звук
Очевидно, что до слушателя фонограммы, помимо прямого звука от громкоговорителей, доходят отраженные от стен и прочих поверхностей звуковые волны, отстающие по времени от прямого воспроизведения. В подавляющем большинстве случаев, колонки располагаются в углах комнаты, что генерирует отражение звука от задних и боковых стен. От этого никуда не деться.
Отраженный сигнал – это не только задержка по времени, но и окрашивание фонограммы по тембру. АЧХ акустической системы замеряется фронтально, по оси громкоговорителя. Внеосевые боковые замеры АЧХ выдадут совсем другой график: тут будет видно ярко выраженное воздействие сигналов, отраженных от боковых стен. График будет менее плоским (бугристым, см.рис.) Отраженный от боковой стены сигнал, выдаст значительные провалы и пики по частотной характеристике. Это и есть окрашенный звук – маска, наложенная на музыку.
Характер окраса зависит от демпфирующих характеристик боковых стен. Если стена поглощает высокие частоты, но не энергию среднего диапазона, то окрас будет менее высоким. Когда прямые и отраженные звуки объединяются, слушатель слышит комбинацию прямого звука из динамика и слегка замедленную версию отраженного бокового звука (причина – разница в длине пути).
В результате возникает явление, называемое гребенчатой фильтрацией, представляющее собой последовательность пиков и провалов в частотном отклике, вызванном конструктивными и деструктивными помехами между прямым и отраженными звуками. Разность фаз, возникающая между этими двумя типами сигналов, приводит к подавлению одних частот и усилению других, что обуславливается разными дистанциями прохождения сигналов.
Все эти факторы приводят к окрашиванию прямого сигнала в точке прослушивания. Отражения от боковых стен – одна из причин, по которой одни и те же колонки звучат по-разному в разных помещениях.
Эти отражения порождают виртуальные «изображения» основного звука. Надо отметить, что некоторые слабые отражения увеличивают звуковое пространство и габариты, а сильное отражение может дать ощущение увеличенного расстояния между колонками и размыть фокус звуковой картины.
Отражение звуковых волн от пола и потолка
Отражение от пола, как правило, снижают интенсивность средних басов (мидбаса), что делает фонограмму несколько компактной. Отражение от потолка оказывает малочувствительное влияние по сравнению со стенами, из-за более длинного пути.
Комнаты прослушивания высокого уровня и аудитории могут себе позволить сделать наклонный потолок, который отражает звук в направлении от слушателя.
Акустические системы под наклонным потолком устанавливаются под самой низкой точкой потолка, а раструб потолка увеличивается по направлению к слушателю (см. фото вверху).
С отражением от пола легко справиться, уложив ковер перед АС и слушателем. Низкие частоты не будут поглощаться ковром, а вот мидбас и верхний бас могут потерять энергию и может возникнуть интерференция (между прямым и отраженным звуком), которая приведет к проседанию средних частот.
Это явление – «эффект Эллисона» - впервые заметил и обнародовал Рой Эллисoн – известный разработчик акустических систем (Acoustic Research, USA).
Интересно, что тип ковра, уложенный между слушателем и колонками влияет на качество звука. Дело в том, что шерстяные ковры дают более естественный звук по сравнению с синтетическими коврами.
Волокна шерсти неоднородны, неодинаковы по длине и, поэтому, поглощают более широкий спектр частот. А синтетический, в силу большей однородности и одинаковости формы нитей, поглощает гораздо меньший частотный диапазон. 
Отражение или поглощение: что лучше?
Звуковая волна, встречающая препятствие, может быть отражена, поглощена или рассеяна. Возможна комбинация из трех этих явлений: одна часть звукового спектра может быть поглощена, а другая частично отражена и рассеяна. Для акустической обработки помещения применяются материалы и устройства как для поглощения, так и для отражения (диффузии) звука.
В сообществе меломанов ведутся непрекращающиеся дебаты по поводу того, какой режим предпочтительнее для комнат прослушивания. Сторонники диффузии утверждают, что отраженная энергия полезна, если удается её преобразовать во множество отражений с малой амплитудой, распределенных по времени и в пространстве, что создаёт объём и воздушность фонограммы.
Сторонники поглощения полагают, что любые отражения в течении первых 20мс прямого звучания ухудшают качество сигнала, исходящего от динамика. Большинство комнат студий звукозаписи спроектированы таким образом, чтобы обеспечить режим RFZ: reflection free zone - зона отсутствия отражения. Режиссеры предпочитают слышать только прямой сигнал от студийных мониторов, а остальное должно быть поглощено.
Мой личный опыт говорит, что поглощение отражений от боковых стен лучше, чем их диффузия, а сзади кресла слушателя лучше располагать диффузионные панели, а не поглотители звука. Так или иначе, бесспорным является факт, что боковые отражения от голых стен надо контролировать либо поглотителями, либо отражателями.
Оставлять их голыми нельзя: отражённый звук от правой колонки накладывается на левый и наоборот, что приводит к “акустическому месиву“ и портит фонограмму.
Открытые книжные шкафы с книгами разной высоты, толщины и уложенные по различной глубине на полках, работают хорошими рассеивателями акустической энергии.
Существует огромное количество материалов и приспособлений для поглощения и рассеивания звука, которые помогут сформировать комнату высокого акустического уровня. Например, рассеиватели от компании RPG, изображенные на фото вверху.
Однако, надо понимать, что ковры, мягкий диван, книжные шкафы и шторы в комнате являются естественными поглотителями и рассеивателями звука наличие которых, может быть вполне достаточным для формирования довольно качественной звуковой картины у вас дома.
Предметы вблизи колонок.
Звуковые волны, отражающиеся от самой стойки с аудиоаппаратурой, могут портить звуковую картину. Надо принимать во внимание такие предметы, как окна, сабвуферы, мебель вблизи акустической системы могут привести к расфокусировке звукового изображения и отсутствию глубины сцены. Лучшее решение – удалить раздражающий объект.
Я добился значительного улучшения фокусировки и глубины звуковой сцены в своей системе, просто переметив стойки с оборудованием из пространства между колонками в другой конец комнаты.
Если это у вас такая перестановка не получается, то отодвиньте стойку как можно дальше в глубину от линии установки акустических колонок. Усилители мощности не должны выступать за передние панели АС.
Для лучшего музыкального исполнения фонограммы не устанавливайте телевизионную панель между динамиками. Стекло монитора ухудшает звук. Если же все это не получается у вас по объективным причинам, то накройте все отражающие предметы звукопоглощающим материалом Sonex, или чем-то подобным. Окна за динамиками должны быть задернуты плотными шторами во время прослушивания.
Есть способ определения состояния звуковой картины при наличия отражающих предметов вблизи АС: это диагностическая запись среды прослушивания LEDR (Listening Environment Diagnostic Recording), содержащаяся на компакт-диске Chesky Records Jazz Sampler&Audiophile Test, Vol.1 (Chesky JD37 - на фото вверху).
Данный тест состоит из игры на синтетическом ударном инструменте, который звучит так, как будто он движется по дуге между правым и левым динамиком и, далее, в пространстве над обоими динамиками. Аудиосистема в работе с хорошим (с акустической точки зрения) помещением создаст в этом тесте впечатление, что звук плавно и последовательно движется в заданном направлении.
Любые провалы в звуковом изображении будут ощущается слушателем как дискретные «прыжки» по ожидаемой траектории вместо плавного перемещения звука.
Провалы в тесте говорят от якобы недостаточном качестве громкоговорителей, но после удаления отражающих предметов подальше от динамиков, вы можете выправить результаты теста.
Правильное расположение акустической системы может, на самом деле, резко исправить ситуацию и на это у вас уйдет всего несколько минут.
Резонансные моды в комнате прослушивания.
Резонанс – это колебание тела с максимальной амплитудой, если его естественная частота совпадает с частотой внешнего периодического воздействия. Если покопаться в латыни, то в переводе слово резонанс будет означать «звучащий заново».
Певица голосом разбивает бокал не потому, что она генерирует мощный звук, а лишь потому, что частота ноты, которую она выдает совпадает с естественной частотой колебания бокала. Из-за совпадения частот по фазе возникает резонанс (самовозбуждение колебательной системы), который приводит к разрушению конструкции.
Нам, как меломанам, интересен этот феномен, который может возникнуть в комнате прослушивания. Акустический резонанс – это усиление некоторых частот, которые слышит слушатель в закрытом воздушном пространстве комнаты. Воздух возбуждается мембранами динамиков и генерирует звуковые волны, которые являются областями сжатия и разряжения воздуха.
В зависимости от размеров комнаты различные частоты, отражаясь от параллельных стен комнаты могут войти в резонанс и создать области в пространстве, где данные частоты будут звучать громче или слабее остальных, что нарушает качественное восприятие звуковой картины (окрашивание звука).
Происходит это следующим образом: движущаяся от мембраны динамика первичная звуковая волна ударяется о стену и возвращается назад, ударяется о параллельную стену и движется в противоположном направлении. Это происходит до тех пор, пока энергия волны не исчерпается и волна не угаснет.
Но, если отражённая волна совпадает по фазе (https://t.me/daxxcables/691) со встречной, то при наложении этих волн произойдёт их усиление. В данной точке пространства комнаты возникнет резонансный режим, или резонансный мод для данной (основной) частоты.
Комната имеет три измерения: длину, ширину и высоту. Каждая размерность породит свой мод для определенной частоты (фактически длины волны, которая определенным образом «впишется» между поверхностями).
Мало того, появится не только один резонансный мод от основной частоты, а несколько родственных модов, порожденных частотами, равными основной, помноженной на 2, 3, 4, 5 и т.д. (гармоники). Вот вам и целый резонансный гармонический компот, который может сформировать неравномерное звуковое поле в комнате.
В следующей статье копнем глубже и рассчитаем резонансные моды, отталкиваясь от размеров комнаты. К сожалению, создать в доме акустическую комнату, избегая параллельных поверхностей, как это сделано в концертных залах, не получится, но улучшит ситуацию можно значительно.
Определение резонансных модов
Комната прослушивания ведет себя как эквалайзер между мембраной акустической системы и слуховым аппаратом слушателя, который усиливает одни частоты, а другие ослабляет. Причем в разных местах комнаты вы обнаружите различную звуковую картину. В результате можем получит деградацию звука.
В плохой, с акустической точки зрения комнате, слушатель обнаружит медленные и неровные басы, некоторые ноты могут быть гораздо заметнее других.
Разберемся, что же происходит со звуковыми волнами в комнате. Для упрощения ситуации возьмем за основу только одну размерность комнаты, например её длину. Чем дальше стены друг от друга отстоят, тем ниже частота, которая войдет в резонанс в этом расстоянии и сформирует основной резонансный мод (режим).
Принцип таков: резонанс возникает, когда длина звуковой волны, исходящей от динамика, в два раза больше длины комнаты.
Дано:
Скорость звука V = 340м/с;
Длина помещения L = 7м;
Формула для первого/основного резонансного мода:
F1 = V/2L;
Считаем:
F1= 340/2х7 = 24.2Герц.
Для других модов имеем формулу:
F2=F1x2;
F3=F1x3 и т.д.
Итак, частота в 24Гц (округлим значение) войдет в этой комнате в резонанс между стенами по длине помещения и сформирует картину, показанную на первом графике на рисунке вверху. Это есть основной резонансный мод: F1. График показывает уровни звукового давления этой частоты на различных расстояниях от стен: есть пики и провал.
Далее, вычисляем гармоники основной частоты (F1), которые излучает мембрана громкоговорителя: F2= 24х2 = 48Гц; F3= 24х3 = 72Гц; F4= 24х4 = 96Гц; шестая гармоника – F6 = 24х6 = 144Гц; седьмая – F7 = 24х7 = 168Гц…; двенадцатая гармоника будет равна F12=288Гц. Все они породят резонансные моды: F2, F3, F4…F12.
Резонансные моды от частот более 300Гц не смысла рассматривать, так как их плотность в пространстве вырастает на столько, что неравномерность звукового поля уже не определяется на слух и проблема сходит на нет.
А наша задача, по формированию хорошей комнатной акустики, заключается именно в создании равномерного звукового поля в закрытом помещении.
Далее становится ясным тот факт, что боковые стены (ширина) и пол с потолком (высота помещения) создадут свои резонансные моды по аналогичному алгоритму.
Следовательно, наша задача в поисках оптимального акустического соотношения длины, ширины и высоты несколько усложняется: изменять фактические размеры комнаты мы не в состоянии, но понять оптимальные соотношения размерностей помещения нужно для эффективной акустической обработки нашей комнаты. 
Оптимальные размеры комнаты
В этом параграфе рассмотрим зависимость концентрации резонансных модов от размеров комнаты прослушивания.
Рассмотрим две разные комнаты A и В и определим в них резонансные моды.
Комната А имеет размеры: длина 7,32м; ширина 4,88м; высота 2,45м.
Рассчитаем спектр резонансов для всех трех размеров и получим следующую таблицу:
---------------------------------
Мод Длина Шир. Выс.
7,32м 4,88м 2,45м
--------------------------------
F1 24Гц 35Гц 71Гц
F2 48Гц 70Гц 142Гц
F3 72Гц 105Гц 213Гц
F4 96Гц 140Гц 284Гц
F5 120Гц 175Гц 355Гц
F6 144Гц 210Гц
F7 168Гц 245Гц
F8 192Гц 280Гц
F9 216Гц 310Гц
F10 240Гц
F11 264Гц
F12 288Гц
F13 312Гц
Из рядов цифр видны концентрации модов около 70Гц, еще одна «куча» в районе 140Гц, третье скопление на частотах около 213Гц и четвертый концентрат на 280Гц. Для наглядности нанесем моды в виде черточек на частотную шкалу. Все не помещается, но первые два сгустка модов на 70Гц и 140Гц видны.
Смотрим на шкалу первой комнаты А. Она демонстрирует нам близко распложённые моды, которые испортят басы. Особенно «толстые», выпяченные и гулкие басы мы определим на хорошо слышимой частоте около 140Гц, а провалы справа и слева от неё еще больше подчеркнут гулкость басов.
Следует помнить, что разница между пиком и провалом у резонансного мода может достигать 30дБ, что значительно и требует внимания.
Вторая комната В, в силу других размеров, сформирует значительно менее концентрированные моды (они тут равномернее распределены по частотам) и, соответственно, звуковое поле будет более однородным по сравнению с комнатой А. Однозначно можно заключить: комната В акустически лучше комнаты А.
Чем больше помещение, тем больше резонансных модов в нем будет рождаться, но и распределяться они в нём будут равномернее. Чем меньше помещение, тем сложнее равномерно распределяются моды. Самое плохое помещение - это то, которое имеет кубическую форму.
Наклонный потолок в значительной степени способствует распределению вертикальных модов и не даёт им «кучковаться». Наклонный потолок и непараллельные стены не уничтожают моды, они их равномернее распределяют в пространстве (не дают им совпадать и выделяться в звуковом поле).
В зависимости от соотношения длины, ширины и высоты помещения можно определить качество звукового поля.
Представляю таблицу, составленную М. Лоуденом, которая присваивает параметр акустического качества помещению (в порядке убывания) в зависимости от соотношения его размеров.
-----------------------------------
Качество Высота X Y
-----------------------------------
Q1 1 1.9 1.4
Q2 1 1.9 1.3
Q3 1 1.5 2.1
Q4 1 1.5 2.2
Q5 1 1.2 1.5
Q6 1 1.4 2.1
Q7 1 1.1 1.4
Q9 1 1.6 2.1
Q10 1 1.2 1.4
Q11 1 1.6 1.2
Q12 1 1.6 2.3
Q13 1 1.6 2.2
Q14 1 1.8 1.3
Q15 1 1.1 1.5
Q16 1 1.6 2.4
Q17 1 1.6 1.3
Q18 1 1.9 1.5
Q19 1 1.1 1.6
Q20 1 1.3 1.7
Высота комнаты принимается равной 1, а длина и ширина вычисляются умножением коэффициентов длины X или ширины Y (можно и наоборот) на высоту. Отправной точкой в этих нехитрых расчетах является высота. Например, высота комнаты известна и равна 3м.
Следовательно, самой хорошей (качество Q1) комнатой для прослушивания с такой высотой потолка будет комната длиной, равной 3м х 1.9 = 5.7м и шириной, равной 3м х 1.4 = 4.2м.
Обратите внимание: из двух различных комнат, имеющих одинаковые соотношения размеров, лучше будет звучать комната большего объема.
Хорошие соотношения не предотвращают резонансы, они сводят к минимуму совпадение резонансов и распределяют их в пространстве (по осям помещения) равномерно.
Чтобы убрать резонансы в комнате, вы должны применять поглощающие и рассеивающие материалы, гасящие нужные вам моды.
Специальные компьютерные программы помогут вам провести полный модальный анализ помещения и порекомендуют расположение АС и кресла слушателя.
В этой главе показана упрощенная процедура по работе с осевыми резонансами, которые возникают между одной парой поверхностей.
Другие резонансные моды, возникающие между двух пар (тангенциальные моды) и трех пар поверхностей (косые моды), не рассматриваются в этой книге.
📑R.H.©
